基于ZigBee的无线病房呼叫系统便携端设计

1 引言 

　　ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。ZigBee 是一种用于无线连接的全球标准，标准建立的重点是可靠性、低成本、长电池寿命和容易应用。不仅是简单的线缆互连的替代方案，而且能在不同ZigBee 设备之间"即连即用"的建立无线网络，方便的实现数据通信、交换，同时具有低功耗、较高数据传输速率、低成本等特点。利用Zighee 技术的低功耗无线传输和自组网功能，可以实现"隔离监护"、"动态监护".ZigBee 技术与局域网、互联网技术相结合，还可以实现"远程监护"、"家庭保健监护",是实现无线病房呼叫服务的理想选择。 

　　2 系统方案设计 

　　系统网络方案是采用的新兴的ZigBee 无线技术，由于ZigBee 提供免费的协议栈，所以我们在开发应用程序中使用这些协议栈提供的底层函数时不需要额外付费。再加上ZigBee具有网络容量大可以支持大量的网络节点、安全及时延短、使用频段为2.4GHz 的免执照频段等特点，可以很好的满足设计的需要。 

　　本研究方案采用MCU 和RF 收发器分离的双芯片方案。其方案优点是方案灵活性高，有很好的可扩展性。硬件设计方案选择为MSP430F4618+CC2420 的双芯片解决方案。 

　　MSP430FG4618 是具有100 个引脚的16 位超低功耗MCU: 

　　在主动模式下，工作在1MHz 情况下，耗电为400uA;在待机模式下，仅为1.3uA;在RAM 保持关闭模式下，仅为0.22uA.具有5 种节电模式；从待机状态唤醒的时间小于6uS. 

　　它还拥有丰富的片上资源：具有116KB 闪存、8KB RAM、12 位ADC、双DAC、DMA、3 个OPAMP和16 段LCD,采用外部8MHz 晶振（时钟），主要功能是根据用户的命令，完成按键检测、液晶显示以及数据的发送与接收。它提供两个双工串口UART0、UART1,可实现与天线控制器和MODEM 的异步数据通信，并可用UART 多串口扩展芯片（SP2338DP）按需要将其扩展至多个较高波特率的UART 串口，由于界面显示程序占用较大的RAM 和Flash,并且要求较高的运算速率，MSP430FG4618 系列恰能满足设计要求。 

　　CC2420 是Chipcon 公司（现属于TI公司）推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4 标准的射频收发器[3].该器件是第一款适用于ZigBee 产品的RF 器件。它基于Chipcon 公司的SmartRF03 技术，以0.18umCMOS 工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。 

　　CC2420 的选择性和敏感性指数超过了IEEE 802.15.4 标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps,可以实现多点对多点的快速组网。 

　　系统设计时预留了调试端口。JTAG 接口用来调试和下载程序。RS232 串口提供调试信息输出并用于与PC 机交互。RF 插座可以插入功能完好的射频模块进行调试，且引出测试点易于测量波形。由于射频电路不易调试，出现问题时不容易定位错误点。也要先预留调试接口，可以先试用确保功能正确的独立RF 模块调试电路板基本功能，最后焊接电路板上的RFIC和天线匹配电容、电感，以提高调试效率。 

　　采用本方案设计的好处是硬件平台只需要十分少的外部元器件和设备，相应的需要的元器件就成本低，并且该平台可以稳定的运行。 

　　由于便携终端采用电池供电，同时低功耗也是ZigBee 系统应用成功的关键，所以低功耗自然也是本系统设计所追求的目标。为了最大程度地降低系统的功耗，从硬件设计角度考虑，我们在硬件方面采用以低功耗而闻名的TI 公司的MSP430 系列处理器，无线收发芯片采用毫安级别的CC2420 芯片，两者组合的硬件平台在功率消耗方面表现十分出色；从软件设计角度考虑，也可以利用好MSP340F4618 芯片的节电模式，根据需要采用看门狗、中断以及定时器的方式来唤醒设备进入正常的工作状态，其余的时间设备都处在几乎不消耗电能的睡眠状态以降低系统功耗。 

　　3 系统呼叫模块硬件设计 

　　我们根据实际的应用需求设计出电路的总体结构，从功能模块角度划分可以分为几个部分：MSP430 模块、RS232 模块、显示模块，声光报警和键盘模块。其中射频芯片采用的是Chipon CC2420,微控制器采用的是TI 公司的MSP430FG4618,输入设备是按键，输出设备有LED 和液晶显示芯片，与外界接口有RS232 和JTAG,上述设备可以满足需要并可支持功能扩展。CC2420 和MSP430FG4618 都采用电池供电。硬件结构框图如图3-1 所示。 

　　图 3-1 硬件总体结构 

　　MSP430 模块是整个系统的核心部分，本文设计的呼叫模块是由MSP430FG4618 和外围电路构成。 

　　图3-2 给出了MSP430FG4618 的核心电路，包括JATG 接口、复位电路、电源和时钟电路。 

　　同时，将没有用到的芯片引脚引出放置到电路板的边缘，方便以后需要的时候进行扩展。 

　　图 3-2 MSP430FG4618 最小系统电路图